论文部分内容阅读
当今是一个信息飞速发展的时代,人们对信息传输、处理和存储机制的要求也越来越高。自旋电子学充分利用了电子的自旋和电荷两个特性同时进行信息的处理和存储,这必将给当今以及未来的信息技术带来巨大的变革。稀磁半导体兼具磁性和半导体功能,具有优异的磁、磁光、磁电性能,是自旋电子器件最有应用前景的材料。ZnO基稀磁半导体是研究的热点,过渡金属掺杂ZnO已获得了室温铁磁性,但其磁性来源和本质问题一直存在争议。本文采用磁控共溅射方法制备了Cr掺杂ZnO稀磁半导体薄膜样品,表征制备样品的结构、形貌、元素成份及价态,研究了样品的磁学性质。重点研究了Cr掺杂ZnO稀磁半导体铁磁性来源,探讨了氧空位对磁性的影响。主要研究内容及结果如下:（1）研究磁控共溅射方法制备Cr掺杂ZnO稀磁半导体薄膜工艺。PPMS测试显示所有ZnO:Cr样品均呈现室温铁磁性,XRD、XPS等测试手段表明Cr以Cr3+离子形式掺入ZnO晶格,形成了Zn1-xCrxO稀磁半导体,没有发现第二相,分析认为样品磁性是Cr3+离子之间铁磁交换作用引起的。（2）研究外加磁场垂直于膜面和平行于膜面样品的磁性,发现平行于膜面为样品的易磁化方向,样品具有磁各向异性,表明样品铁磁性是其内在固有的。（3）研究样品在不同温度下磁学性质。测得样品在5K时表现为顺磁相与铁磁相的混合,100K、340K时呈现明显铁磁性,且100K时测得样品的饱和磁化强度大于340K时测得的值。（4）研究Cr掺杂浓度对Zn1-xCrxO薄膜样品磁性的影响。结果表明,Cr掺杂量增加,每个Cr离子的饱和磁矩随之减小,这是Cr离子之间反铁磁耦合作用增强的结果。（5）研究氧流量对薄膜样品磁性的影响。实验发现,随着氧流量的增加,样品饱和磁化强度逐渐减小。氩氧比9sccm:1sccm时,薄膜样品饱和磁化强度最大,Ms为0.503μB/Cr,当氩氧比为9sccm:6sccm时,Ms减小到0.409μB/Cr。说明氧空位对磁性有很大的影响。低氧压下,氧空位较多,氧空位导致铁磁性较强,随着氧气的增多,氧空位数量减少,铁磁性也随之减弱。（6）研究退火温度550℃,退火气氛对样品磁学性质的影响。真空退火后, Zn1-xCrxO薄膜样品磁性增强,氧气气氛退火后薄膜样品磁性减弱。分析认为真空气氛退火,氧气缺乏,从而产生了更多的氧空位,氧空位使Cr离子之间铁磁交换作用增强,薄膜磁性增强;而氧气气氛退火,氧气含量丰富,弥补了氧空位,原有的氧空位减少,薄膜磁性减弱。